SBS/PPA復(fù)合改性乳化瀝青的制備與性能評價

伍思豫，張陽，李承洋，陳華鑫，張洪剛，況棟梁

(1.長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710064;2.金華市公路管理局，浙江 金華 321000;3.廣西省交通科學(xué)研究院，廣西 南寧 530007)

乳化瀝青較熱瀝青具有安全、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，但普通的乳化瀝青路用性能較差，SBS改性瀝青乳化難度大且乳化后存儲穩(wěn)定性差，這限制了其推廣應(yīng)用[3-4]。研究表明，引入極性組分可改善SBS與瀝青的相容性，可提高存儲性[5-6]。多聚磷酸(PPA)作為一種極性較強(qiáng)的物質(zhì)[7]，可使SBS在瀝青中交聯(lián)形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，常用來提高SBS與瀝青的相容性，改善SBS改性乳化瀝青的存儲穩(wěn)定性[8]，但目前關(guān)于PPA對SBS改性乳化瀝青性能的影響鮮有報(bào)道[9]。本文制備了SBS/PPA復(fù)合改性乳化瀝青，系統(tǒng)研究了PPA對SBS改性乳化瀝青路用性能的影響及對SBS改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

SK90#道路石油瀝青(針入度80 mm，軟化點(diǎn)47.2 ℃，15 ℃延度大于100 cm，135 ℃粘度0.253 Pa·s)、線型SBS、JY-R6M陽離子慢裂快凝型瀝青乳化劑(pH值為8～10，外觀為棕褐色粘稠液體)均為工業(yè)品；多聚磷酸為分析純。

FLUKO-FM300剪切機(jī);CM2000/4膠體磨;WSY-025F瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)儀;WSY-026數(shù)顯式瀝青針入度試驗(yàn)儀;LYY-10A-CL調(diào)溫調(diào)速瀝青延伸度測定儀;NDJ-1F旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)；SYD-0656乳化瀝青儲存穩(wěn)定性試驗(yàn)儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 SBS改性瀝青的制備 將基質(zhì)瀝青加熱至170 ℃，加入SBS改性劑，攪拌均勻后，放入140 ℃的烘箱中溶脹40 min。在170～180 ℃、4 000 r/min的條件下高速剪切1.5 h。在140 ℃的烘箱中發(fā)育40 min，即制得SBS改性瀝青。

1.2.2 SBS/PPA復(fù)合改性瀝青的制備 將SBS改性瀝青加熱至160 ℃，加入PPA，攪拌20 min。放入160 ℃烘箱中發(fā)育40 min，即制得SBS/PPA復(fù)合改性瀝青。

1.2.3 SBS/PPA復(fù)合改性乳化瀝青的制備

1.2.3.1 制備皂液 在燒杯中加入穩(wěn)定劑，并加入70 ℃的熱水，攪拌均勻。待水溫降至60 ℃時加入乳化劑，用工業(yè)鹽酸調(diào)節(jié)溶液pH至2～3。

1.2.3.2 進(jìn)行乳化 將60 ℃的皂液倒入預(yù)熱好的膠體磨中，加入加熱至160 ℃的SBS/PPA復(fù)合改性瀝青，乳化2 min,即制得SBS/PPA復(fù)合改性乳化瀝青。

2 結(jié)果與討論

2.1 SBS摻量對瀝青性能的影響

采用SBS作為改性劑，將其與基質(zhì)瀝青熔融共混得到不同摻量的SBS改性瀝青。按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)范》(JTGE 20—2011)測試改性瀝青的軟化點(diǎn)、延度、針入度、135 ℃粘度與彈性恢復(fù)等指標(biāo)，研究SBS摻量對改性瀝青路用性能的影響，結(jié)果見表1。

表1 SBS摻量對瀝青性能的影響Table 1 The performance of asphalt with different SBS content

由表1可知，SBS能夠有效提高瀝青的軟化點(diǎn)、延度及彈性恢復(fù)率，且隨著SBS摻量的增加，SBS改性瀝青的粘度呈現(xiàn)增大的趨勢，SBS摻量為5%時，其粘度達(dá)到1.75 Pa·s，粘度太高，不利于后期改性瀝青的乳化[10]。

綜合考慮SBS改性瀝青路用性能及其乳化工藝的要求，本文折中選擇SBS的摻量為4.5%,為便于對比，制備了一組SBS摻量為4.5%的SBS改性瀝青樣品，其性能指標(biāo)見表2。

表2 4.5%摻量的SBS改性瀝青相關(guān)指標(biāo)Table 2 The performance of modified asphalt with SBS of 4.5%

由表2可知，當(dāng)SBS摻量從5%降低到4.5%時，其粘度由1.75 Pa·s下降到1.41 Pa·s，下降幅度超過20%，且其延度和軟化點(diǎn)較SBS摻量為4%時也有明顯提高。因此，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，SBS的摻量為4.5%。

2.2 PPA摻量對SBS改性瀝青性能的影響

以4.5%的SBS摻量為基準(zhǔn)樣，加入PPA，制備SBS/PPA復(fù)合改性瀝青，PPA摻量對復(fù)合改性瀝青性能的影響，見表3。

表3 PPA摻量對SBS改性瀝青性能的影響Table 3 The performance of SBS modified asphalt with different PPA content

由表3可知，隨著PPA摻量的增加，SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)、延度逐漸升高，摻量超過SBS用量的3%后，延度開始降低。造成這種現(xiàn)象的原因是PPA的加入能夠改善SBS與瀝青的相容性，促進(jìn)SBS在改性瀝青中形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而改善改性瀝青的性能，但過高的PPA摻量易導(dǎo)致 SBS 在瀝青中形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較為密集，使得瀝青的剛性較強(qiáng)，瀝青變脆，從而降低其延度[11]。

2.3 PPA摻量對SBS改性瀝青微觀結(jié)構(gòu)的影響

采用熒光顯微鏡對SBS在瀝青中的分布狀態(tài)進(jìn)行觀察，圖1是SBS改性瀝青與SBS/PPA復(fù)合改性瀝青熒光圖像，放大倍數(shù)為400倍。

圖1 熒光顯微試驗(yàn)圖片F(xiàn)ig.1 The picture of fluorescence microscopy(a)SBS改性瀝青;(b)SBS/PPA復(fù)合改性瀝青

由圖1可知，SBS均勻分布于改性瀝青中，與瀝青的界面明顯。PPA使得SBS改性劑與瀝青分子之間的相互作用增強(qiáng)，這主要可歸因于PPA能夠促使SBS在瀝青中形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[12]。

2.4 PPA摻量對SBS改性乳化瀝青儲存穩(wěn)定性的影響

將不同PPA摻量的SBS/PPA復(fù)合改性瀝青分別進(jìn)行乳化，制備SBS/PPA復(fù)合改性乳化瀝青(采用原材料廠家推薦的配比，乳化劑、穩(wěn)定劑的用量分別為2%和0.2%)。按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)范》(JTGE 20—2011)中T 0655的試驗(yàn)方法測試其1,3,5 d儲存穩(wěn)定性。PPA摻量對SBS改性乳化瀝青儲存穩(wěn)定性的影響見圖2。

圖2 PPA摻量對SBS改性乳化瀝青儲存穩(wěn)定性的影響Fig.2 The storage stability of SBS modified emulsion asphalt with different PPA content

由圖2可知，隨著PPA摻量的增加，SBS/PPA復(fù)合改性乳化瀝青的1,3,5 d儲存穩(wěn)定性均有不同程度的提高。這表明PPA的加入對SBS改性乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性有正面的改善作用。當(dāng)PPA摻量由1%增加到5%時，和未添加PPA的改性乳化瀝青相比，其5 d儲存穩(wěn)定性由6.3%降低到4.7%，降低的幅度超過25%。這可歸因于PPA促使SBS在瀝青中形成化學(xué)交聯(lián)點(diǎn)，有助于改善SBS與瀝青的相容性，從而達(dá)到提高乳化瀝青儲存穩(wěn)定性的目的[13-14]。

有研究顯示，在SBS改性瀝青中摻入極性物質(zhì)之后，有助于SBS改性劑在體系中形成空間彈性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成對瀝青的性能有極大的改善作用[15-16]。因PPA是一種極性較強(qiáng)的物質(zhì)，由此可推斷，在SBS改性瀝青中加入PPA以后，有助于在瀝青與SBS共混體系中形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而改善SBS改性乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性，熒光顯微試驗(yàn)和存儲穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果也印證了這一推斷。

2.5 PPA摻量對SBS改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物性能的影響

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)范》(JTGE 20—2011)中T 0651的方法制備不同PPA摻量的SBS/PPA復(fù)合改性乳化瀝青的蒸發(fā)殘留物，并測試其軟化點(diǎn)、延度、針入度、135 ℃粘度等指標(biāo)，研究PPA摻量對SBS改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物路用性能的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 PPA摻量對SBS改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物性能的影響Fig.3 The evaporation residue of SBS modified emulsion asphalt with different PPA content

由圖3可知，隨著PPA摻量的增加，SBS/PPA復(fù)合改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的軟化點(diǎn)呈現(xiàn)增加的趨勢，PPA摻量由1%增加到5%時，和未添加PPA的SBS改性乳化瀝青相比，其蒸發(fā)殘留物軟化點(diǎn)由64.8 ℃增加到72.2 ℃，增加的幅度超過10%。造成這一現(xiàn)象的主要原因在于PPA的加入促使SBS在改性瀝青中形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，促進(jìn)SBS與瀝青的相容性[17]，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得瀝青分子間相對運(yùn)動的阻力增大，難以發(fā)生自由移動，從而提高了瀝青的軟化點(diǎn)，達(dá)到改善瀝青高溫性能的目的[18-19]。PPA摻量為1%～3%時，隨著PPA摻量的增加，瀝青的延度呈增加趨勢，這是由于PPA改善了SBS瀝青的相容性，使得SBS的改性效果得以充分發(fā)揮[20]，而當(dāng)PPA摻量大于4%時，隨著PPA摻量的增加，延度反而降低，這是交聯(lián)過度的結(jié)果，當(dāng)PPA摻量過大時，SBS在瀝青中形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較為密集，瀝青剛性過強(qiáng)，瀝青變脆，從而降低其低溫性能[21]。

由圖3(c)可知，隨著PPA摻量的增加，SBS/PPA復(fù)合改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的針入度呈現(xiàn)降低的變化趨勢。這是由于形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得瀝青的稠度變大，瀝青變硬，針入度減小[22-23]。由圖3(d)可知，隨著PPA摻量的增加，SBS/PPA乳化改性瀝青蒸發(fā)殘留物的粘度增大，這是因?yàn)闉r青內(nèi)部形成的彈性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得瀝青變稠，粘度增大[24]。

綜合考慮SBS/PPA復(fù)合改性乳化瀝青的路用性能，選擇PPA的摻量為3%。制備了一組PPA摻量為3%的SBS/PPA改性乳化瀝青樣品，并與SBS改性乳化瀝青、SBS/PPA復(fù)合改性瀝青性能進(jìn)行比較，結(jié)果見表4、表5。

表4 SBS改性乳化瀝青、SBS/PPA復(fù)合改性乳化瀝青性能Table 4 The performance of SBS modified emulsion asphalt，SBS/PPA composite modified emulsified asphalt

表5 3%PPA摻量的SBS/PPA復(fù)合改性瀝青性能Table 5 The performance of SBS modified asphalt with PPA of 3%

由表4可知，加入PPA后，SBS改性乳化瀝青的可儲存性得到明顯的提高，5 d的儲存穩(wěn)定性由6.3%降低到4.9%，降低的幅度達(dá)到22%。SBS/PPA復(fù)合改性乳化瀝青的固含量達(dá)到65.4%，1，3，5 d儲存穩(wěn)定性分別為0.83%,2.5%，4.9%，均滿足規(guī)范要求，其蒸發(fā)殘留物的路用性能接近熱瀝青。

3 結(jié)論

(1)PPA的加入能夠促使SBS在瀝青體系中形成化學(xué)交聯(lián)點(diǎn)，改善SBS與瀝青的相容性，從而有效提高SBS改性乳化瀝青的儲存穩(wěn)定性。

(2)PPA能夠促進(jìn)SBS在瀝青中形成交聯(lián)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使SBS在瀝青中發(fā)揮更好的改性效果，從而達(dá)到改善SBS改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物路用性能的目的。綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)，PPA的最佳摻量為3%。

(3)SBS摻量為4.5%、PPA摻量為3%時，SBS/PPA復(fù)合改性瀝青乳液蒸發(fā)殘留物的性能指標(biāo)接近熱瀝青。

(4)PPA較SBS價格低廉，每制備1 000 kg的SBS/PPA復(fù)合改性乳化瀝青可節(jié)約5 kg的SBS，經(jīng)濟(jì)效益顯著。